(57)【要約】【課題】  被処理水中に溶解しているカルシウム、マグネシウム等金属イオン又はシリカを主成分とするスケール析出を安定して防止することができるスケール防止装置を提供する。【解決手段】  チャンバ４内に１枚の大形の平板状陽極１１と４枚の小形の平板状陰極１２ａ〜１２ｄが対面配置されている。通水方向下流側の陰極ほど陽極１１に近接するように配置されている。該水を電解して陰極１２ａ〜１２ｄにおいて金属イオンの炭酸塩の微粒子を生成させる。陽極１１近傍での酸化反応によりメリト酸等のスケール防止成分が生成する。【選択図】  図１
2005046809.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中からのスケール析出を防止するスケール防止装置において、
陽極及び陰極よりなる電極と、該電極間に電圧を印加する手段とを備えてなり、
少なくとも陰極は通水方向に離隔して複数個、多段に配置されており、
該陰極は、通水方向と直交方向の配置位置が他の段の該陰極と相違することを特徴とするスケール防止装置。
【請求項２】
請求項１において、該陰極は平板状であり、板面を通水方向として配置されていることを特徴とするスケール防止装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、各段の電極間距離が異なることを特徴とするスケール防止装置。
【請求項４】
請求項１又は２において、各段の陽極及び陰極がそれぞれ別体とされ、該陽極及び陰極の通水方向と直交方向の配置位置が各段において相違することを特徴とするスケール防止装置。
【請求項５】
請求項４において、各段の電極間距離が同等であることを特徴とするスケール防止装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項において、電極が通水方向に４段以上設けられていることを特徴とするスケール防止装置。
【請求項７】
請求項４ないし６のいずれか１項において、通水方向に隣接する段にあっては、上流側の段の電極の通水方向下流側に、下流側の段の反対電位の電極が位置することを特徴とするスケール防止装置。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項において、該陽極は炭素質材料よりなることを特徴とするスケール防止装置。
【請求項９】
請求項８において、炭素質材料は炭素の六員環構造を有することを特徴とするスケール防止装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工場やビルにおける冷却水循環ラインやボイラーライン等で発生するスケールを防止する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
クーリングタワーのような開放系循環冷却水ラインにおける熱交換器、クーリングタワーや配管、又は貫流ボイラーのようなボイラーラインにおけるボイラー本体には、水中に含まれるカルシウム、マグネシウム等金属イオン又はシリカを主成分とするスケールが付着し、伝熱効率の低下、配管の閉塞等がもたらされることがある。
【０００３】
このスケール付着を防止するために、従来より多くの種類のスケール防止用薬剤が使用されている。また最近では電場や磁場を印加してスケールを防止する装置が開発され販売されている。
【０００４】
特許第２９１２８０９号公報には、ボイラー用水を電場及び磁場処理することによりスケール生成を防止する方法が記載されている。
【０００５】
特表２００１−５０２２２９号公報には、円筒形容器内に黒鉛よりなる１対の電極を配置すると共に、該電極間に黒鉛等の炭素質材料よりなる導電性の粒子と、シリカ、ガラス、プラスチック等の非導電性の粒子とを混合充填し、この電極間に通電しつつ円筒形容器に水を通水させてスケール生成を低減する方法が記載されている。同号の記載によると、この通電処理によりアルカリが生成し、このアルカリによって結晶核が生成し（第１２頁第１７〜１８行）、スケール生成傾向が低下する（第７頁第５〜６行）。
【特許文献１】特許第２９１２８０９号公報
【特許文献２】特表２００１−５０２２２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
開放系循環冷却水ラインやボイラーラインに適切な薬剤を適切な量添加すれば、スケールを防止することができるが、循環水やボイラー缶水の濃縮度合いを誤って規定以上で運転したり、逆に規定より大幅に濃縮度合いを低く運転したり、また熱交換側の負荷が規定以上に大きかったりした場合、高温となる熱交換部や水が蒸発するクーリングタワーにスケールが付着することがある。これは、前記規定を超える条件で運転が継続されることにより、添加している薬剤が有するスケール防止能力の範囲を逸脱するようになるためである。このような状況を回避するためには、高負荷等の運転条件に対処できる薬剤を常に投入しておけばよいが、薬剤費用が莫大となり、現実的には難しい。
【０００７】
さらには、カルシウム硬度やシリカ、全鉄濃度等が非常に高い原水性状が悪い場合や、樹脂の重合反応塔等熱負荷の高い場合では、現在市販されているスケール防止用薬剤を適用できないこともある。
【０００８】
上記特許第２９１２８０９号公報の電場や磁場を印加する装置にあっては、スケール防止機構がほとんど明らかにされていないために、スケール防止が不十分になるおそれがある。
【０００９】
特表２００１−５０２２２９号公報の方法によると、通水の継続に伴って、電極間に充填された炭素質材料よりなる粒子と非導電性粒子との混合充填床のうち炭素質材料粒子が選択的に減耗し、粒径が小さくなる。そして、このため、充填層の粒子間隙が小さくなり、通水抵抗が増大する。
【００１０】
そこで本出願人は、このような課題を解決しうるスケール防止装置について先に提案した（特願２００３−０６１８１４号、特願２００３−０６１８１５号及び特願２００３−１００５２６号）。
【００１１】
このスケール防止装置は、長期にわたり優れたスケール防止作用を奏するものであるが、実用的にはさらに効率良くスケール防止効果を発揮できるのが望ましい。
【００１２】
そこで、本発明者らがスケールの成長機構について種々検討した結果、スケールは、循環水中の炭酸カルシウムやマグネシウム等の炭酸塩が析出し、これが成長して機器内面などに堆積したり付着したりすることにより生じるので、電気分解における陰極側に高ｐＨ領域を形成してここで予めスケール成分を微粒子として発生させ、これをスケール防止成分により迅速に処理して微粒子のまま維持するようにすれば、循環水中の硬度成分が過飽和状態となっても微粒子が成長せず、スケールとなることがないことを見出した。
【００１３】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、長期にわたり効率良くスケール防止効果を発揮するスケール防止装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明のスケール防止装置は、水中からのスケール析出を防止するスケール防止装置において、陽極及び陰極よりなる電極と、該電極間に電圧を印加する手段とを備えてなり、少なくとも陰極は通水方向に離隔して複数個、多段に配置されており、該陰極は、通水方向と直交方向の配置位置が他の段の該陰極と相違することを特徴とするものである。なお、本発明において、「防止」は「抑制」を含むものである。
【００１５】
本発明装置において、陽極と陰極との間に通電しつつ通水すると、水が電解されて陰極近傍が高ｐＨとなり、該陰極近傍において、該水中に溶解しているカルシウム、マグネシウム等金属の炭酸塩の微粒子が生成し、水中からのスケール析出が十分に防止される。
【００１６】
即ち、本発明の装置では、陰極近傍に高ｐＨ領域が形成される。この領域を該水が通過する際、その中に含まれるカルシウム、マグネシウム等金属イオンの主として炭酸塩が析出する。このスケール成分の微粒子を予め該水中に大量に生成させることにより、循環水中の溶解性のカルシウム硬度が低くなり、熱交換部やクーリングタワーにおいても溶解度未満で通過でき、熱交換部やクーリングタワーにスケールが析出しない。生成したスケール成分の微粒子は、該水の流れに乗ってラインを循環するが、機器内面には沈着せず、やがてブローと共にライン外に排出される。
【００１７】
＜微粒子析出によるスケール防止の作用機構＞
本発明における微粒子析出によるスケール防止作用機構について、水中からのスケール析出理論に基づいて次に詳述する。
【００１８】
（ｉ）  一般に、水中からのスケール析出機構（メカニズム）は次の通りである。
水温が高くなると炭酸カルシウム等炭酸塩の溶解度が低下する。冷却水系やボイラー水系の熱交換部においては、その表面温度が高くその部分での溶解度が循環水や缶水中の炭酸カルシウム等炭酸塩濃度より小さくなる場合、すなわち過飽和状態となる場合、この高温の熱交換部にスケールが析出する。スケール防止用薬剤を使用しても、その薬剤の単位質量当たりのスケール防止能力は決まっており、何らかの原因で異常なライン管理がなされこの能力限界を超える循環水中炭酸カルシウム等炭酸塩濃度となった場合、同様のメカニズムにより高温の熱交換部にスケールが析出する。
【００１９】
循環冷却水系のクーリングタワーの充填材部は、循環水の温度を低下させるため水を蒸発させる構造となっている。水が蒸発すると循環水中の炭酸カルシウム等炭酸塩濃度が上昇し、その濃度が溶解度以上の過飽和状態となった場合、充填材部にスケールが析出する。また、充填材部では、水を効率よく蒸発させるため、循環水の流下速度を遅くしており、充填材上にスケールが析出し易い。
【００２０】
（ii）  本発明のスケール防止装置にあっては、水（以下、被処理水ということがある。）を電解して金属炭酸塩の微粒子を生成させることにより、水中の溶解カルシウム硬度を低下させ、スケール析出を防止する。
【００２１】
一般に、炭酸カルシウムや炭酸マグネシウム等炭酸塩の溶解度は、ｐＨに影響を受け、ｐＨが高くなるとこれらの溶解度が低下する。
【００２２】
本発明装置を用いて、被処理水を電解すると、陰極近傍が高ｐＨとなり、被処理水中のカルシウム、マグネシウム等金属の主として炭酸塩が陰極近傍で析出する。この析出した微粒子は、冷却水やボイラー用水の流れに乗ってラインを循環し、ブローと共にライン外に排出されるので、冷却水やボイラーシステムでのカルシウムやマグネシウム等の硬度成分濃度が低下し、熱交換部やクーリングタワー等でのスケール析出が防止される。
【００２３】
例えば、炭酸カルシウム成分の場合、十分な数のスケール成分の微粒子が生成することにより、循環水中の溶解性のカルシウム硬度が低くなり、熱交換部やクーリングタワーにおいても溶解性カルシウム硬度成分濃度が溶解度未満となり、熱交換部やクーリングタワーでのスケール析出が防止される。
【００２４】
本発明では、陰極を通水方向に多段に配置し、各段の陰極の通水方向と直交方向の位置を異ならせている。（なお、すべての段の陰極の位置が通水方向と直交方向において異なることが好ましいが、一部の段同士では陰極の通水方向と直交方向位置が重なってもよい。）このように、陰極の位置を異ならせることにより、通水方向と直交方向の広い範囲にわたってスケール成分の微粒子が生成し、循環水中の溶解性カルシウム硬度が万遍なく低くなり、スケール析出防止が向上する。
【００２５】
＜陽極を炭素質材料にて構成した場合のスケール防止の作用効果＞
本発明では、陽極を炭素質材料としておくと、陽極での電解反応によってメリト酸等のスケール防止用薬剤成分が生成するので、仮に水中の硬度成分が過飽和域となった場合でも、生成微粒子が過大に成長して機器内面に堆積ないし付着することが防止される。この陽極反応によって生成し、被処理水に添加されたスケール防止用薬剤は、上記の微粒子に吸着される。スケール防止用薬剤を吸着したスケール成分微粒子は、熱交換部やクーリングタワー等において過飽和状態にさらされても殆ど粒成長しないので、微粒子のまま循環水中に存在し、ブローと共にライン外に排出される。
【００２６】
スケール防止用薬剤成分とスケール成分微粒子とが効率よく会合するようにするために、通水方向に隣接する段にあっては、上流側の段の電極の下流側に、通水方向下流側の段の反対電位の電極を配置することが好ましい。即ち、ある段の陽極の下流側に、次段の陰極を配置し、ある段の陰極の下流側に、次段の陽極を配置する。特に、上流側の段の陰極の下流側に次段の陽極を配置することが好ましい。このように構成することにより、陰極近傍で生成したスケール成分微粒子に対しスケール防止用薬剤成分が効率よく吸着されるようになり、スケール防止効果が向上する。
【００２７】
＜陽極での反応により生成する、スケール防止作用を有した電解物質について＞
陽極での電解反応により生成する電解物質には芳香族カルボン酸が含まれている。
【００２８】
カルボキシル基の数が多い高次カルボン酸がスケール分散効果を有することは知られており、中でもベンゼンヘキサカルボン酸（メリト酸）がスケール防止用薬剤として有効であることが報告されている（The  Inhibition  of  Dicalcium  Phosphate  Dihydrate  Crystal  Growth  by  Polycarboxylic  Acids  Z.AMJAD  Journal  of  Colloid  and  Interface  Science,  Vol.117,  No.1,  May  1987）。
【００２９】
特に、炭素質材料として六員環構造を有する炭素質材料を陽極材料に用い、これを水中で陽極酸化することにより、安価に且つ効率よく芳香族カルボン酸を生成させることができる。
【００３０】
陽極を構成する六員環構造の炭素質材料としては、六員環網状平面が三次元的に積層され、炭素含有率８０％以上の炭素質材料が好ましい。特に、メリト酸等の高次のカルボン酸を生成させるためには、表面層の縮合率が高い方が望ましい。また、炭素含有率が高いものであれば、副生成物が生成しにくいという利点があり、好ましい。このような炭素質材料としては、黒鉛、カルビン、コークス、木炭、活性炭、無煙炭等の石炭類、カーボンブラック等を用いることができる。電極は、表面付近が上記炭素質材料で構成されているものであってもよい。
【００３１】
この六員環構造の炭素質材料を陽極として電解反応させると、メリト酸を主生成物として各種のベンゼンカルボン酸等の芳香族カルボン酸を容易に生成させることができる。この生成物中には通常メリト酸が全有機炭素分に対して３０〜５０％含まれるが、その他、ベンゼン環に１又は２以上のカルボキシル基を有するベンゼンカルボン酸類や、ナフタレン、フェナントレン等の縮合環に１又は２以上のカルボキシル基を有する芳香族カルボン酸が含まれる。
【００３２】
なお、陰極材料としては特に制限はない。ただし、本発明では、後述の通り転極を行うことが好ましいので、陰極も陽極と同様の炭素質材料にて構成することが好ましい。
【００３３】
陽極及び陰極の形状には特に制限はないが、対面配置された平板電極であることが、電解槽内の圧力損失の軽減の上で好ましい。
【００３４】
本発明の一態様にあっては、陽極が一枚の平板のみにて構成され、これに対面するように複数の板状陰極が多段に配置され、この陰極の通水方向と直交方向の配置位置が各段において相違するよう構成される。
【００３５】
この場合、各段において電極間距離が異なるので、各段の電極間の電圧が等しくなるように各回路に補正用抵抗を設けてもよい。
【００３６】
本発明の別の一態様では、各段において陽極及び陰極が別体とされる。この場合、各段における電極間距離を同等とし、且つ陽極及び陰極の通水方向と直交方向を各段で異ならせるのが好ましい。これにより、スケール成分微粒子やスケール防止薬剤成分を万遍なく生成させることが可能となる。
【００３７】
この場合、前述の通り、隣接する段にあっては、上流側の段の電極の下流側に、次段の反対電位の電極を配置することが好ましい。
【００３８】
電極間の印加電圧は１．３Ｖ以上、特に５〜３０Ｖ程度とすることが好ましい。この電圧は、交流、直流のいずれでも良く、交番電流であっても良いが、１０分以上より好ましくは１時間以上電流が同方向に流れるように電圧を印加することが生成効率の面から好ましい。
【００３９】
また、陰極表面の不純物によるスケール障害を防止する観点からは転極することが好ましい。この場合、転極間隔が短いと生成効率が低下するため、１時間以上、例えば１〜２４時間程度の転極間隔をとることが望ましい。
【００４０】
電流値には特に制限はないが、投入電気量とメリト酸生成量は比例関係にあるため、生成効率を上げるためには電流値を高くした方が良い。ただし、限界電流密度が存在するので５．０Ａ／ｄｍ２以下の範囲とするのが好ましい。
【発明の効果】
【００４１】
本発明によると、被処理水中に溶解しているカルシウム、マグネシウム等の金属イオンやシリカを主成分とするスケール析出を安定して防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下、図面を参照して実施の形態について説明する。
【００４３】
図１は実施の形態に係るスケール防止装置の概略的な縦断面図である。
【００４４】
冷却水やボイラー用水等を通水するための配管１，３の間にフランジ１ａ，３ａ及び４ａを介して筒形チャンバ４が設置されている。このチャンバ４内に１枚の大形の平板状陽極１１と４枚の小形の平板状陰極１２ａ〜１２ｄが対面配置されている。この陰極１２ａ〜１２ｄと陽極１１とに対し電源７より電圧が印加されて通電される。この陰極１２ａ〜１２ｄと陽極１１との間は、充填物が存在しない通水用空間部となっている。
【００４５】
陽極１１の板面及び各陰極１２ａ〜１２ｄの板面は水の通水方向に沿っている。
【００４６】
陰極１２ａ〜１２ｄは、通水方向に順次に配置されている。各陰極１２ａ〜１２ｄの通水方向と直交方向は互いに異なる。この実施の形態では、通水方向下流側の陰極ほど陽極１１に近接するように配置されている。
【００４７】
この実施の形態では、陽極１１及び陰極１２ａ〜１２ｄは、六員環網状平面が規則的に積層されている黒鉛よりなる。
【００４８】
配管１，３を介してチャンバ４に通水しつつ電源７により陰極１２ａ〜１２ｄと陽極１１との間に通電して電解すると、陰極１２ａ〜１２ｄの近傍がアルカリ性、陽極１１の近傍が酸性となる。酸性側では電極付近が酸性であることと同時に酸素が発生し黒鉛電極の酸化が促進される。黒鉛電極は分解されベンゼンポリカルボン酸を生成する。ベンゼンポリカルボン酸類は、代表的なスケール防止薬剤であるポリマレイン酸やポリアクリル酸等と同じくカルボキシル基を有するため、スケール防止効果がある。
【００４９】
陰極１２ａ〜１２ｄ近傍の高ｐＨ領域では、スケール成分の微粒子が生成する。これにより、配管３から取り出される水中の溶解性カルシウム硬度が低くなり、スケール析出が防止されるようになる。
【００５０】
特に、この実施の形態では、陽極１１の通水方向と直交方向が互いに異なるため、スケール防止装置１８を通過する水に万遍なくスケール成分の微粒子が含まれる。
【００５１】
なお、電極と水との接触効率を良くするために、通水が乱流となるように通水量を設定することが好ましい。
【００５２】
図２は別の実施の形態に係るスケール防止装置１８Ａの縦断面図である。
【００５３】
この実施の形態では、陽極１１の代わりに小形平板状の４枚の陽極１１ａ〜１１ｄが配置されている。その他の構成は図１と同様である。
【００５４】
各陽極１１ａ〜１１ｄは、各陰極１２ａ〜１２ｄに対面配置されている。陽極１１ａ、陰極１２ａ、陽極１１ｂ、陰極１２ｂ、陽極１１ｃ、陰極１２ｃ及び陽極１１ｄ、陰極１２ｄの各電極間距離は実質的に同一である。
【００５５】
第１段の陽極１１ａの通水方向下流側に第２段の陰極１２ｂが配置され、以下同様に、上流側の陽極１１ａ〜１１ｃの下流側に次段の陰極１２ｂ〜１２ｄが配置されている。各陰極１２ｂ，１２ｃ，１２ｄは、各々の１段だけ上段の陽極１１ａ，１１ｂ，１１ｃよりも若干、上段の陰極１２ａ，１２ｂ，１２ｃ側に位置している。例えば、陽極１１ａと陰極１２ｂの板面同士の通水方向と直交方向の距離（板間距離）は１０ｃｍ以下、特に１〜２ｃｍ程度であることが好ましい。
【００５６】
この実施形態においても、陽極１１ａ〜１１ｄ近傍でベンゼンポリカルボン酸が生成し、陰極１２ａ〜１２ｄにおいてスケール成分微粒子が生成する。そして、陰極１２ａ〜１２ｄで生成したスケール成分微粒子は、上流側から通過してくる陽極１１ａ〜１１ｃ近傍で生成したベンゼンポリカルボン酸と接触し、これを吸着する。このようにして、効率よく水がスケール成分防止処理されるようになる。
【実施例】
【００５７】
［実施例１］
図３に示す開放系循環冷却水ラインに図１に示す本発明のスケール防止装置１８を組み込んだ。
【００５８】
クーリングタワー１４下に設置されている貯水槽１６にスケール防止装置１８を組み込み、循環水を連続的に処理した。貯水槽１６の水はポンプ１７を介して二重管式熱交換器２０へ送り込まれ、二重管外側を流れる熱水により熱交換され、クーリングタワー１４で冷やされ、循環される。この貯水槽１６内の水は、ポンプ１９を介してスケール防止装置１８に循環通水され、処理される。
【００５９】
なお、該装置１８の陽極１１の面積は３００ｃｍ２、陰極１２ａ〜１２ｄの面積は各７５ｃｍ２、陽極１１と陰極１２ａ〜１２ｄの距離は、順次に、４ｃｍ、３ｃｍ、２ｃｍ、１ｃｍとした。印加電圧は約１０Ｖ、電流密度０．５Ａ／ｄｍ２（電流値１．５Ａ）、転極頻度１回／Ｈｒ、通水速度（線速度）２．０ｍ／ｓｅｃである。
【００６０】
循環水のカルシウム硬度（ＣａＨ）及び酸消費量（ｐＨ４．８／ＭＡ）はそれぞれＣａＣＯ３として３００ｍｇ／ｌ、熱交換部表面温度は８０℃であり、無処理である次の比較例１では確実に熱交換面に析出する条件である。この装置を循環水の滞留時間２４時間で９６時間運転した。
【００６１】
［実施例２］
スケール防止装置１８の代りに図２のスケール防止装置１８Ａを用いた他は実施例１と同様にして開放系循環冷却水ラインの運転を行った。
【００６２】
なお、陽極１１ａ〜１１ｄの大きさは陰極１２ａ〜１２ｄと同一とした。電極間距離はすべて１５ｃｍとした。
【００６３】
［比較例１］
比較のため、スケール防止装置１８，１８Ａを作動させないこと以外は同一条件として同様の運転を行った。
【００６４】
水質分析結果を表１に示す。表１の通り、本発明では水質が維持されており、系内のスケール析出が抑制されている。
【００６５】
【表１】
2005046809.tif 000003
【００６６】
次に熱交換部に析出したスケール付着量を測定した結果を表２に示す。
【００６７】
表２の通り、本発明のスケール防止装置によると、高温となる熱交換部へのスケール析出が防止される。なお、通電電流値は通水期間中１．５Ａで一定であった。
【００６８】
【表２】
2005046809.tif 000004
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】実施の形態に係るスケール防止装置の概略的な縦断面図である。
【図２】別の実施の形態に係るスケール防止装置の概略的な縦断面図である。
【図３】本発明を適用した開放系循環冷却水ラインのシステムフロー図である。
【符号の説明】
【００７０】
１，３  配管
７  電源
１１，１１ａ〜１１ｄ  陽極
１２ａ〜１２ｄ  陰極
１４  クーリングタワー
１６  貯水槽
１８  スケール防止装置
２０  二重管式熱交換器
【図１】
2005046809.tif 000005
【図２】
2005046809.tif 000006
【図３】
2005046809.tif 000007